211service.com
Et superstærkt og let nyt materiale
En ny type materiale, der består af nanoskala stivere på kryds og tværs som stivere i et lille Eiffeltårn, er et af de stærkeste og letteste stoffer, der nogensinde er lavet.
Små spær : Et scanningselektronmikroskopbillede af det nye materiale afslører dets keramiske nano-gitter.
Hvis forskere kan finde ud af, hvordan man laver tingene i store mængder, kan det bruges som et strukturelt materiale til fremstilling af fly og lastbiler samt i batterielektroder.
Forskere ledet af Caltech materialeforsker Julia Greer fandt ud af, at ved omhyggeligt at designe nanoskala stivere og samlinger, kunne de lave keramik, metaller og andre materialer, der kan komme sig efter at være blevet knust, som en svamp. Materialerne er meget stærke og lette nok til at svæve gennem luften som en fjer. Værket er offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab .
I konventionelle materialer er styrke, vægt og tæthed korreleret. Keramik er for eksempel stærk, men også tung, så de kan ikke bruges som strukturelle materialer, hvor vægten er kritisk - for eksempel i karosserierne af biler. Og når keramik fejler, har de en tendens til at svigte katastrofalt og knuses som glas.
Men på nanoskalaen gælder de samme regler ikke. I dette størrelsesområde bliver de strukturelle og mekaniske egenskaber af keramik mindre bundet til egenskaber som vægt, og de kan ændres mere præcist.
For keramik er mindre hårdere, siger Greer, som blev udnævnt til en af MIT Technology Review 's 35 Innovators Under 35 i 2008 for hendes arbejde med nanoskala mekanik. Det betyder, at nanoskala spær lavet af keramiske materialer både kan være meget lette - ikke overraskende, da de for det meste er luft - og ekstremt stærke.
I 2011 har forskere ved HRL Laboratorier , et privat ingeniørforskningsfirma, skabte et af de letteste materialer, der nogensinde er lavet, et mikrogitter af hule metalrør. Greer arbejdede sammen med virksomheden om at karakterisere materialet og valgte senere at tage den større udfordring på at lave keramik med lignende egenskaber. Dette krævede finjustering af strukturer på nanoskala, hvilket betyder, at materialerne er endnu sværere at producere.
For at lave de keramiske nano-trusses bruger Greers laboratorium en teknik kaldet to-foton interferens litografi. Det er beslægtet med en meget lavtydende 3D-laserprinter.
Først bruger de denne metode til at skabe den ønskede struktur, et gitter, ud af en polymer. Polymergitteret er derefter belagt med en keramik, såsom aluminiumoxid. Oxygenplasma ætser polymeren ud og efterlader et gitter af hule keramiske rør.
Greers laboratorium viste, at ved at ændre tykkelsen af rørvæggene er det muligt at kontrollere, hvordan materialet fejler. Når væggene er tykke, splintres keramikken under tryk som forventet. Men spær med tyndere vægge, kun 10 nanometer tykke, spænder, når de komprimeres og genvinder derefter deres form.
Du forventer ikke, at disse materialer kommer sig - du forventer, at de er sprøde og går i stykker, siger du Christopher Spadaccini , en ingeniør, der er specialiseret i materialefremstilling ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Livermore National Laboratory i Californien.
De nye materialer kan være særligt interessante til brug i batterier, bemærker Nicholas Fang , en maskiningeniør ved MIT, som også arbejder med nanostruktureret keramik. Nanostrukturer har et meget højt overfladeareal og er lette, en kombination, der kunne give et hurtigt opladet batteri, der gemmer meget energi i en praktisk pakke. Faktisk siger Greer, at hun samarbejder med det tyske elektronikfirma Bosch at anvende hendes design på lithium-luft-batterier.